直接读取三维数据的套料方法应用

李东浩，严磊，周日圣

扬州中集通华专用车有限公司 江苏扬州 225105

1 序言

全球资源短缺，国际原油和钢材价格持续飞涨，这是我们国家和企业将要长期面临的国际大环境，也是一个重大的课题和难题。国家和企业要生存、发展，就必须倡导和坚持“节约为先，效益为本”的原则。切割与焊接是一对孪生兄弟，要焊接，就必须先切割，要焊接质量好，就必须先切割好焊接坡口。切割过程不可避免地要造成钢板的各种浪费，除了剩余钢板和边角余料的浪费外，各种割缝余量、坡口余量，以及机加工和变形等余量的浪费同样非常严重。因此，我们通常说：“焊接技术决定产品质量，切割技术决定产品成本”。特别是专用车企业，产品的成本主要是钢材成本，而钢材成本则取决于钢材切割过程的利用率和钢材浪费的多少。因此，企业要生存并发展，就要在提高焊接质量的同时，必须先从钢材切割技术下手，节省钢材，降低成本，提高钢材切割生产效率和效益。根据世界银行钢铁统计年鉴可知，美国、日本等发达国家在切割过程中被烧蚀、加工和浪费掉的钢材是30%。中国、印度等发展中国家，由于缺乏先进的切割技术，钢材在切割过程中的损耗和浪费达到40%。2015年，我国的钢产量和消费量是3亿t，按照钢带比40%计算，用于切割焊接的钢材有1.2亿t，比发达国家多浪费10%，就意味着中国在切割生产中多浪费了1200万t钢，按每吨钢材5000元计算，我国每年钢材多浪费的金额高达600亿元。

目前，我国大中型专用车企业年钢材切割焊接量一般都要超过1万t，特别是大型专用车企业，年钢材切割焊接量要达到5～10万t。以年切割钢材1～2万t的专用车企业为例，如果能够使用好套料切割软件，提高1%的钢材利用率，每年就可节省200t钢材，按照每吨5000元计算，每年就可增加利润100万元。如果钢材利用率能够提高3%～5%，每年就可增加利润500万元。对于年钢材使用量在5～10万t的大型专用车企业，使用好套料切割软件，每年可增加利润达上千万元。

2 套料软件的定义和基本功能

2.1 套料软件的定义

通过计算机，用专门的软件将所需加工工件的CAD图样处理生成相应的单体加工程序，然后再把这些单体程序在一定规格的板材上排列起来，最后生成一个数控加工程序，以提供给数控机床进行加工。这个专门的软件，通常叫作套料软件。

套料软件应属于一种CAM软件，主要用于二维平面切割，如数控火焰切割、数控等离子切割、数控激光切割及数控机械铣等。

2.2 套料软件的基本功能

通过对目前市面上多款套料软件的调研，并结合过往的使用经验，对套料软件具备的功能进行了分类，并将数字化应用各阶段需求下套料软件需对应的各类功能进行了定义，见表1。

表1 套料软件的基本功能

3 套料软件的业务流程

过去的数控切割机床往往都是以作业孤岛的形式存在，套料软件也基本都是数据孤岛。而面向数字化的生产制造，必须消除这样的孤岛，实现设备与系统互联、设备与软件互联、软件与系统互联。

针对上述目标，梳理了数字化转型后的套料软件业务流程，并分析了各流程之间的相互关系和实现方式。

3.1 总体流程

套料软件业务总体流程如图1所示。

图1 套料软件业务总体流程

用文字可以表述如下。

1）MES系统派发下料计划给套料软件。

2）套料软件与PLM系统取得联系，获取套料所需要的图样文档进行套料。

3）将套料所得的NC程序传递给数控切割设备，同时将套料结果（排版图等）反馈给MES系统。

套料软件处于数字化架构的中间位置，扮演着三方互联的角色，其作用承上启下，至关重要。对总体流程进行拆分，可以得到3个子工作流程：PLM-套料软件工作流程、MES-套料软件工作流程、套料软件-设备工作流程。下面对这3个子工作流程分别进行分析。

3.2 PLM-套料软件工作流程

以往的套料经验需要将三维模型转成二维展开图后才能进行套料，这种方式在目前数字化信息流的应用方式下，很大程度上阻碍了效率的提升。而XSuperNEST直接读取三维模型的方式大幅提升了套料效率及准确性。

目前，使用的PLM系统为西门子的Teamcenter（以下简称TC），使用的三维设计软件为NX。PLM-套料软件工作流程应为：TC将接口开放给套料软件，套料软件直接接入TC的数据库，读取*.prt三维格式图样，并对于钣金模式下建模需展开的图样可直接调用NX的展开命令自动展开，这样可使图样的流转全部在系统内完成，实时读取图样，整个过程无需人工干预，安全可靠。PLM-套料软件工作流程如图2所示。

图2 PLM-套料软件工作流程

3.3 MES-套料软件工作流程

MES-套料软件工作流程如图3所示。MES系统与套料软件的交互主要为中间数据库表。交互的重点在于数据字段的定义，现列举一个MES系统和套料软件交互时，采用中间数据库表所推荐的定义字段，见表2、表3。

表2 MES系统计划数据中间表结构

表3 套料软件数据中间表结构

图3 MES-套料软件工作流程

同时，套料软件需要反馈报表和排版图给MES系统，以指导后续的分拣工作，并实现不同条件下的排版图输出，如同车零件同色，或者同批次零件同色、同工艺路线同色等高亮方式。

3.4 套料软件-设备工作流程

套料软件和设备的数据交互方式主要有以下3种。

1）通过U盘将套料后生成的切割程序拷贝至切割机床上。

2）通过DNC系统将套料软件与切割机床交互，获取实时数据。

3）不直接与数控切割机床进行数据交互，而是通过机床的中控系统与其进行数据交互。

现有激光切割机设备都配有中控系统。套料软件与切割设备中控系统直接进行集成，进行套料程序下发。

4 三维读取方法研究

（1）二维图样套料软件对图样处理的方法应用 对CAD内需折弯的零件进行展开图绘制，再进行套料。此方式需工艺人员对二维图样进行展开图绘制的二次加工，费时且对应出错率较高。

（2）XSuperNEST三维图样导入方法应用 通过直接读取PLM系统内三维模型，套料软件自动展开，纳入零件库进行套料，如图4所示。

图4 XSuperNEST三维图样导入方法

批量导入三维模型，大大减少了展开图绘制工作，同时可消除图样二次加工的出错率。

5 XSuperNEST套料效率及成本对比

为了实际验证XSuperNEST的效率，分别针对材料利用率、工作效率，将其与原套料软件进行了算法测试对比。

5.1 材料利用率（套料算法）

依据对真实车型套料算法测算并对比原有软件，其超级算法可提高1%～5%材料利用率，平均值为1.7%，见表4。

表4 材料利用率对比

（续）

5.2 工作效率（人工工时）

由于生产线升级，采用激光切割机以取消剪、冲、钻工序，故排版套料人员工作量相对于以往增加约1倍以上的工作量。

原套料算法没有达到“不需人工干预”的程度，也会使套料人员工作量有所增加。

采用XSuperNEST高级算法可有效提高套料人员对零件套料方面的工作效率，将工作重点放到“工单合并”“激光切割工艺优化”等方面。待后续操作熟练，可减少0.5～1名套料人员，每年节约费用8～10万元。

6 结束语

新型切割设备及套料软件的应用，经在半挂车制造业中进一步验证，并对比了数字化技术在提高产品生产效率上的作用，打通了数字化设计到生产的全链条通路。